[論文レビュー] Characterization of a CdZnTe detector for a low-power CubeSat application

Giulio Lucchetta, M. Ackermann+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、MeVCube CubeSatミッション向けに、VATA450.3 ASICを用いて1チャンネルあたり0.25 mWの消費電力で実現した低消費電力・高性能なピクセル化CdZnTe検出器システムを提案する。662 keVで3% FWHMのエネルギー分解能と2 mmの3次元空間分解能を達成し、200 keV〜4 MeVの範囲で高感度なガンマ線検出を可能にし、コンactな宇宙応用に適している。

ABSTRACT

We report spectral and imaging performance of a pixelated CdZnTe detector custom designed for the \emph{MeVCube} project: a small Compton telescope on a CubeSat platform. \emph{MeVCube} is expected to cover the energy range between $200\;\mathrm{keV}$ and $4\;\mathrm{MeV}$, with performance comparable to the last generation of larger satellites. In order to achieve this goal, an energy resolution of few percent in full width at half maximum (FWHM) and a $3$-D spatial resolution of few millimeters for the individual detectors are needed. The severe power constraints present in small satellites require very low power read-out electronics for the detector. Our read-out is based on the VATA450.3 ASIC developed by \emph{Ideas}, with a power consumption of only $0.25\;\mathrm{mW/channel}$, which exhibits good performance in terms of dynamic range, noise and linearity. A $2.0\;\mathrm{cm} imes 2.0\;\mathrm{cm} imes 1.5\;\mathrm{cm}$ CdZnTe detector, with a custom $8 imes 8$ pixel anode structure read-out by a VATA450.3 ASIC, has been tested. A preliminary read-out system for the cathode, based on a discrete \emph{Amptek} A250F charge sensitive pre-amplifier and a DRS4 ASIC, has been implemented. An energy resolution around $3\%$ FWHM has been measured at a gamma energy of $662\;\mathrm{keV}$; at $200\;\mathrm{keV}$ the average energy resolution is $6.5\%$, decreasing to $\lesssim 2\%$ at energies above $1\;\mathrm{MeV}$. A $3$-D spatial resolution of $\approx 2\,\mathrm{mm}$ is achieved.

研究の動機と目的

• CubeSatベースのコンプトン望遠鏡向けに、低消費電力・高性能なCdZnTe検出器システムを開発すること。
• 200 keV〜4 MeVの範囲で数パーセントのFWHMエネルギー分解能と数ミリメートル程度の3次元空間分解能を達成すること。
• CubeSatの電力制約に適合する超低消費電力の読み出し回路（1チャンネルあたり0.25 mW）を統合すること。
• 2.0 cm × 2.0 cm × 1.5 cmのCdZnTe検出器（8×8ピクセルアノード、離散的カソード読み出し）のスペクトル的および画像的性能を特徴づけること。
• 宇宙応用における電荷収率効率とシステム複雑性への影響を評価するため、ステアリンググリッドの影響を検討すること。

提案手法

• 2.0 cm × 2.0 cm × 1.5 cmのCdZnTe検出器に、2.25 mm × 2.25 mmピクセル、2.45 mmピッチのカスタム8×8ピクセルアノード構造を採用する。
• 1チャンネルあたり0.25 mWの低消費電力で、高いダイナミックレンジ、低ノイズ、良好な線形性を実現するVATA450.3 ASICをアノード読み出しに採用する。
• 深さ方向情報測定を可能にするために、離散的カソード信号読み出しにAmptek A250FプリアンプとDRS4 ASICを用いる。
• カソード信号とピクセル信号の比を用いて深さ方向情報補正を施し、エネルギー分解能の向上を図る。
• グリッドに−50 Vをバイアスし、浮遊グリッド状態と比較して、電荷収率効率と検出効率への影響を測定する。
• 662 keVのCs-137ガンマ線ピークを用いてエネルギー分解能を測定し、3次元相互作用位置再構成を用いて空間分解能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8×8ピクセルアノードと離散的カソード読み出しを備えたCdZnTe検出器が、低消費電力制約下でも662 keVで3%未満のFWHMエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 この検出器システムの3次元空間分解能はどの程度か？200 keV〜4 MeVのエネルギー範囲でどのように性能を発揮するか？
• RQ3 −50 Vバイアスをかけたステアリンググリッドは、システムの複雑性を著しく増加させることなく、電荷収率効率の向上にどの程度効果を示すか？
• RQ4 深さ方向情報補正は、特に低エネルギーおよび高エネルギー領域でエネルギー分解能をどの程度向上させるか？
• RQ5 VATA450.3 ASICは、最小限の消費電力で、ノイズ、線形性、ダイナミックレンジの面で十分な性能を発揮し、宇宙用ガンマ線検出に適しているか？

主な発見

• 662 keVで3% FWHMのエネルギー分解能を達成し、1 MeV以上のエネルギー領域では2%未満まで改善された。
• 200 keVでは平均で6.5% FWHMのエネルギー分解能を示し、低エネルギー領域でのやや顕著な分解能劣化が確認された。
• 各方向で約2 mmの3次元空間分解能を達成し、コンプトン望遠鏡再構成の目標を満たした。
• −50 Vバイアスをかけたステアリンググリッドは、検出効率にわずかな向上をもたらしたが、追加のシステム複雑性を考慮すると効果は不十分と判断された。
• VATA450.3 ASICは、1チャンネルあたり0.25 mWの低消費電力で、ノイズが低く、全ダイナミックレンジにわたり優れた線形性を示した。
• ピエダル幅から測定した全システムノイズは16.5 keV FWHM（355 e−に相当）であり、63個の有効ピクセルすべてで一貫した性能を示した。